悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法与流程

本发明涉及红外光源技术领域，尤其涉及一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法。

背景技术：

随着全球经济的迅速发展，地球环境持续恶化，各种有毒、有害气体的排放导致的空气污染问题日益严峻，严重影响了人类自身的生存和发展。进入二十一世纪，随着信息技术的成熟和人们对环境问题的关切，为气体传感器带来了巨大的市场需求。

基于非色散红外吸收光谱(NDIR)的气体传感器克服了传统的催化原理、电化学原理气体传感器容易中毒老化、寿命短等缺点，具有检测精度高、量程大、可靠性高、使用寿命长等公认的优点，从而成为研究的热点和气体传感器未来的发展方向。在NDIR气体传感器中，红外光源发射红外光，二氧化碳、一氧化碳、甲烷等可产生偶极矩变化的气体分子由于会与红外光产生共振而被吸收，且特定的气体分子只会与特定波长的红外光发生共振，不同的气体浓度会导致红外光被吸收的能量不同，因而探测器可在另一端检测红外辐射能量的变化，并以此来分析气体成分和计算气体浓度。由于红外探测器一般对变化的红外光敏感，传统的NDIR气体传感器需要在红外光源处安装一个机械斩波器来产生可变化的红外光，这一复杂结构不能满足气体传感器微型化、便携化和低功耗化的要求。MEMS技术的发展实现了电可调制红外光源，成功的解决了这一问题。

MEMS红外光源作为NDIR气体传感器的核心部件，其性能严重影响着气体传感器探测的准确性和灵敏度，目前小尺寸、低功耗和高发射率特点且制备工艺简单的可电调制MEMS红外光源的研制成为当前半导体气体传感器的研究热点。

中国专利CN104591076A公开了一种基于纳米结构的红外光源芯片，采用紧密排列的纳米深孔薄膜结构作为辐射层提高辐射效率，芯片设有衬底、支撑层、电加热层、纳米结构辐射层、金属电极；支撑层、电加热层、纳米结构辐射层均悬浮在衬底上方并形成悬浮桥面结构，减少热传导损耗。此专利采用干法刻蚀形成背部空腔，很容易出现释放不完全，大部分硅基与结构相连，大大减小了热辐射效率。

中国专利CN103500788A公开一种可集成的纳米结构红外光源，利用MEMS/CMOS工艺，对非晶硅表面进行纳米修饰加工，形成锥状纳米结构，再对锥状纳米结构进行TiN镀层加工；最后采用正面XeF₂释放技术，对硅衬底进行深硅刻蚀，减小热量在硅丝欧姆发热过程中的损耗，提高光源的工作功率。此专利采用最后的正面干法刻蚀形成释放空腔，容易对结构造成损伤，并且工艺操作较为复杂。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法，能够大幅减少热传导损失，提高光源的辐射效率，操作简单，功耗较低，稳定性高，且与CMOS工艺兼容。

本发明提供一种悬浮结构的MEMS红外光源，包括薄膜悬浮结构及所述悬浮结构上的红外光源结构；所述薄膜悬浮结构为图形化的支撑层，所述支撑层为沉积在承载衬底上的凹弧状的四梁固支结构；所述红外光源结构包括：加热层、隔离层、图形化金属电极以及辐射层；所述加热层沉积在所述支撑层上面，所述图形化金属电极沉积在所述支撑层上面并且与所述加热层侧面相连；所述隔离层制备在所述加热层上面；所述辐射层制备在所述隔离层上表面；所述辐射层、隔离层、加热层和支撑层均悬浮在背部空腔的承载衬底上形成所述薄膜悬浮结构。

可选的，所述支撑层为氧化硅、氮化硅或者氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层，所述支撑层与承载衬底接触并且中间为凹弧形状的四个隔离槽结构；所述承载衬底为硅方形框架的硅基衬底。

可选的，所述隔离层为氧化硅隔离层或氮化硅隔离层，将所述加热层与所述辐射层电隔离。

可选的，所述加热层为半导体材料矩形加热层，沉积在所述支撑层之上。

可选的，所述金属电极为单层金属电极，或者复合金属层电极，电极底层使用钛或铬金属作为粘附层，粘附层上沉积有金、铂或铝金属。

可选的，所述辐射层采用反应离子刻蚀刻蚀多晶硅，形成紧密直立排列的锥状森林结构的纳米硅材料。

本发明提供一种悬浮结构的MEMS红外光源的制备方法，包括：

提供洁净的双抛100单晶硅片衬底，在所述单晶硅衬底正面生长支撑层，然后在反面薄膜层上生长腐蚀掩膜层；

利用LPCVD/PECVD设备在所述支撑层上依次掺杂后的半导体材料加热层、隔离层和辐射层；

对所述加热层、隔离层、辐射层经过两次光刻，图形化出加热层敏感区和辐射层敏感区；

在生长支撑层、加热层、隔离层、辐射层薄膜层上，利用MEMS工艺图形化出金属电极图案；

利用反应离子刻蚀或者等离子浸没离子注入设备刻蚀顶层多晶硅材料辐射层，通过调节控制刻蚀时间得到不同形貌和高宽比的纳米森林结构，利用气相沉积或电镀的方法在所述纳米森林结构上方沉积金属层构成黑金属薄膜；

制备悬浮结构。

可选的，所述在生长支撑层、加热层、隔离层、辐射层薄膜层上，利用MEMS工艺图形化出金属电极图案包括：

利用磁控溅射或蒸发一层金属电极或者复合金属层电极；

在所述金属电极层利用湿法腐蚀设备图形化电极图案。

可选的，所述制备悬浮结构包括：

对所述支撑层薄膜图形化凹弧状的四个隔离槽结构；

对所述单晶硅衬底背面掩膜图形化背腔释放窗口；

利用湿法腐蚀对背腔进行湿法释放至距离所述支撑层薄膜50um～100um处停止，然后利用XeF2干法释放出悬浮结构。

本发明提供的悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法，提供一种新的凹弧状的四梁固支悬浮的结构，能够大幅减少热传导损失，提高光源的辐射效率；采用了湿法腐蚀和干法刻蚀混合释放的工艺方法，先进行背部湿法腐蚀释放，然后进行干法XeF2释放工艺，能够提高工艺兼容性，避免了常规工艺后期进行深反应离子刻蚀(DRIE)对背部硅基的释放不完全，还有背部湿法空腔过大的弊端，同时增加了背腔完全释放的稳定性，减小了工艺难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为承载衬底正面热氧化氧化硅，然后双面LPCVD氮化硅薄膜的剖视图；

图2为在正面LPCVD两层多晶硅，分别作为加热层和辐射层，中间PECVD氧化硅作为隔离层，并且在加热层多晶硅材料重掺杂B改变电阻值的剖视图；

图3为两层多晶硅层图形化，形成辐射层和加热层的剖视图；

图4为图形化氮化硅支撑层，形成隔离槽以及正面气相HF刻蚀窗口的剖视图；

图5为图形化氮化硅支撑层，形成隔离槽的俯视图；

图6为背面氮化硅掩膜的图形化，形成背腔释放口的剖视图；

图7为背面氮化硅掩膜的图形化，形成背腔释放口的仰视图；

图8为图形化Al电极并且RIE辐射层多晶硅形成纳米硅材料的剖视图；

图9为磁控溅射Al，电极图形化以及RIE多晶硅辐射层的俯视图；

图10为TMAH湿法腐蚀背腔释放口的剖视图；

图11为XeF₂干法释放背腔释放口的剖视图；

图12为正面气相HF对氧化硅支撑层的穿通刻蚀的剖视图；

图13为悬浮结构的制备完成，最终红外光源器件的完成的俯视图。

图中：

1：承载衬底；2：氧化硅支撑层；3：氮化硅支撑层；

4：多晶硅加热层；5：氧化硅隔离层；6：多晶硅辐射层；

7：氮化硅掩膜层；8：纳米硅辐射层；

101：辐射结构；102：加热层结构；103：隔离槽结构；

104：背腔释放口结构；105：金属电极结构；106：背腔湿法释放结构；

107：干法释放结构；108：穿通刻蚀结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种悬浮结构的MEMS红外光源，如图12和图13所示，所述悬浮结构的MEMS红外光源从底部到顶部依次包括：氮化硅掩膜层7、承载衬底1、氧化硅支撑层2、氮化硅支撑层3、多晶硅加热层4、氧化硅隔离层5、多晶硅辐射层6；所述悬浮结构的MEMS红外光源还包括图形化金属电极结构105、隔离槽结构103、干法释放结构107和穿通刻蚀结构108。

其中，所述多晶硅辐射层6采用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀多晶硅，形成森林纳米硅辐射层8，用于辐射红外线，并且通过氧化硅隔离层5覆盖在多晶硅加热层4上；多晶硅加热层4设于氧化硅支撑层2和氮化硅支撑层3之上，用于对多晶硅辐射层6提供能量；所述氧化硅支撑层2和氮化硅支撑层3、多晶硅加热层4、氧化硅隔离层5、多晶硅辐射层6均悬浮在承载衬底1上方并形成四梁固支悬浮结构。

所述承载衬底为硅基衬底，所述硅基衬底可采用硅方形框架衬底，可利用微电子体硅加工技术在硅片上制备出中空的方形框架结构。

所述支撑层为氧化硅、氮化硅或者氧化硅与氮化硅多层复合膜支撑层，支撑层与硅衬底接触并且中间做成凹弧形状的四个隔离槽结构；所述隔离层采用氧化硅或者氮化硅隔离层，该隔离层将加热层与辐射层电隔离。

所述加热层采用半导体材料加热层，采用物理或化学的方法沉积一层半导体薄膜，并对半导体材料进行掺杂使其具有电阻加热特性；加热层可采用矩形加热层，并沉积在支撑层上；所述金属电极可采用单层金属电极，如铜、铂、铝、钛、钨，也可以采用复合金属层电极，电极底层可以使用钛或铬金属作为粘附层，在粘附层上再沉积金属，如金、铂、铝。

其中，所述金属电极层总厚度为0.8μm～1.2μm或者电极连接层的厚度为200～400nm，电极层的厚度为600～800nm；所述半导体材料加热层厚度为500nm～600nm。

所述支撑层薄膜的总厚度为0.6μm～1μm，所述隔离层厚度为30nm～50nm。

所述单晶硅承载衬底的厚度为500μm。

本发明实施例提供的悬浮结构的MEMS红外光源具有如下结构特点：

所述支撑层结构采用氧化硅和氮化硅双膜结构来减小薄膜的内应力。首先在洁净的双抛(100)硅片上正面热氧化一层SiO₂，再在双面使用低压化学气相沉积(LPCVD)沉积一层Si₃N₄。正面的双膜结构作为整个悬浮结构的支撑层，背面的作为后续湿法释放的掩膜结构。所述的加热层结构，采用掺杂B后的多晶硅作为加热电阻结构，并且通过控制掺杂浓度和剂量来控制多晶硅的电阻；

所述辐射层采用刻蚀多晶硅材料制备。在掺杂多晶硅层和刻蚀多晶硅层之间生长一层薄氧化硅层，起到隔离的作用。所述的电极结构，使用磁控溅射的方法制备，使用纯净的金属靶作为轰击材料，制备的晶粒直径在50纳米，膜层的厚度在800纳米。之后在表面光刻，使用湿法腐蚀的方法进行电极的图形化；

所述释放结构采用创新的混合的释放工艺方法。在制备完成正面结构后，在背部掩膜的作用下，对背部硅基进行湿法腐蚀释放，在释放到距离正面自停止支撑层50～100微米的地方停止腐蚀；然后使用XeF₂对硅基进行干法刻蚀，形成整个器件释放的结构；

所述悬浮结构采用凹弧状四梁固支的新型悬浮结构，加热层、电隔离层、辐射层都仅仅靠四支凹弧状悬臂梁与硅基相连接，利用弧形式悬浮薄膜结构解决悬浮封闭薄膜型和悬臂薄膜型红外光源热应力大和结构易破裂的问题，并有效地提高辐射效率。使得该红外光源具有体积小、功耗低、响应快、可调制和可靠性高等特点。

所述悬浮结构采用创新的混合的释放工艺方法。在制备完成正面结构后，在背部氮化硅掩膜层7的作用下，对背部硅基进行湿法腐蚀释放106，在释放到距离正面支撑层SiO₂ 50～100微米的地方停止腐蚀；继续使用XeF₂对硅基进行干法刻蚀，在刻蚀到正面SiO₂层时自停止，形成背面硅基的释放结构107；然后在正面使用气相HF对SiO₂层进行穿通刻蚀108，形成整个器件释放的结构。

本发明实施例提供一种悬浮结构的MEMS红外光源的制备方法，包括如下步骤：

步骤S11、将P型(100)双抛硅片按照标准清洗处理；

步骤S12、如图1所示，以清洗处理后的硅片制作支撑层：在硅片上热氧化一层500nm～700nm氧化硅薄层，接着在双面再LPCVD一层氮化硅，其厚度在150nm～200nm，形成一层复合型的薄膜结构；

步骤S13、如图2所示，在图1所示的结构上紧接着正面LPCVD一层600nm～800nm多晶硅，接着采用扩散的方法掺杂，形成N型掺杂，提高多晶硅的导电性。接着再在掺杂后的多晶硅表面制作一层50nm～100nm氧化硅进行隔离，最后LPCVD一层500nm～800nm多晶硅用于纳米硅材料的制备；

步骤S14、如图3所示，在图2所示的结构上两次光刻，分别是辐射层101和加热层102的图形化，台阶用于加热层与电极的电性接触；

步骤S15、如图4所示，在图3所示的结构上继续光刻，图形化氮化硅支撑层形成隔离槽，用于最终正面气相HF穿通刻蚀的释放窗口，俯视图见图5；

步骤S16、如图6所示，在图5所示的正面结构的基础上，进行背腔氮化硅掩膜的图形化，用于后续湿法腐蚀释放，仰视图见图7；

步骤S17、如图8所示，在图6所示的正面结构上磁控溅射Pt电极，并图形化电极，电极形状见图9；紧接着在正面继续使用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀顶层多晶硅辐射层，使用Cl₂以及SF₆气体刻蚀，He用于冷却，形成森林结构的纳米硅材料，辐射率接近于黑体；

步骤S18、如图10～13所示，在图8所示的正面结构基础上，首先进行背腔释放窗口的湿法腐蚀，由于单晶硅的各向异性，腐蚀口呈现54.47°，如图10所示；在腐蚀到距离氧化硅层50～70微米处，继续使用干法XeF2刻蚀，刻蚀到氧化硅处停止，如图11所示；最后在正面使用气相HF在隔离槽释放口进行穿通刻蚀，如图12所示，最终释放结构完成，如图13所示。

至此，悬浮结构的MEMS红外光源制备完成。

本发明实施例提供另外一种悬浮结构的MEMS红外光源的制备方法，包括如下步骤：

步骤S21、将P型(100)双抛硅片按照标准清洗处理；

步骤S22、以清洗处理后的硅片制作支撑层：在硅片上热氧化一层500nm～700nm氧化硅薄层，接着在双面再LPCVD一层氮化硅，其厚度在150nm～200nm，形成一层复合型的薄膜结构；

步骤S23、紧接着正面LPCVD一层600nm多晶硅，接着采用扩散的方法掺杂，形成N型掺杂，提高多晶硅的导电性。接着再在掺杂后的多晶硅表面制作一层50nm～100nm氧化硅进行隔离，最后LPCVD一层500nm～800nm多晶硅用于纳米硅材料的制备；

步骤S24、在上述结构上两次光刻，分别是辐射层101和加热层102的图形化，台阶用于加热层与电极的电性接触；

步骤S25、在上述结构上继续光刻，图形化氮化硅和氧化硅支撑层形成隔离槽，用于正面干法释放窗口；

步骤S26、在上述正面结构的基础上，进行背腔氮化硅掩膜的图形化，用于后续湿法腐蚀释放；

步骤S27、在正面结构上磁控溅射Pt电极，并图形化电极；紧接着在正面继续使用反应离子刻蚀(RIE)刻蚀顶层多晶硅辐射层，使用Cl₂以及SF₆气体刻蚀，He用于冷却，形成森林结构的纳米硅材料，辐射率接近于黑体；

步骤S28、在上述正面结构基础上，首先进行背腔释放窗口的湿法腐蚀，由于单晶硅的各向异性，腐蚀口呈现54.47°；在腐蚀到距离氧化硅层50～70微米处，在正面使用XeF₂通过隔离槽释放窗口进行穿通刻蚀，最终释放结构完成。

至此，悬浮结构的MEMS红外光源制备完成。

本发明实施例提供的悬浮结构的MEMS红外光源及其制备方法，提供一种新的凹弧状的四梁固支悬浮的结构，能够大幅减少热传导损失，提高光源的辐射效率；采用了湿法腐蚀和干法刻蚀混合释放的工艺方法，先进行背部湿法腐蚀释放，然后进行干法XeF2释放工艺，能够提高工艺兼容性，避免了常规工艺后期进行深反应离子刻蚀(DRIE)对背部硅基的释放不完全，还有背部湿法空腔过大的弊端，同时增加了背腔完全释放的稳定性，减小了工艺难度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。